计算机组成原理

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计算机概述

计算机的基本组成:

• 存储器:　　　　　实现记忆功能的部件用来存放计算程序及参与运算的各种数据
• 运算器:　　　　　负责数据的算术运算和逻辑运算即数据的加工处理
• 控制器:　　　　　负责对程序规定的控制信息进行分析,控制并协调输入,输出操作或内存访问
• 输入设备:　　　　实现计算程序和原始数据的输入
• 输出设备:　　　　实现计算结果输出

组成的联系:

• 图一
  
• 图二
  

计算机的工作过程:

• 用户打开程序
• 系统把程序代码段和数据段送入计算机的内存
• 控制器从存储器中取指令
• 控制器分析,执行指令,为取下一条指令做准备
• 取下一条指令,分析执行,如此重复操作,直至执行完程序中全部指令,便可获得全部指令

冯·诺依曼机制:

• 程序存储
• 采用2进制

计算机系统的体系结构:

• 图一:
  
• 图二
  

数据概述

数据信息的两种基本方法:

• 按值表示:　　要求在选定的进位制中正确表示出数值，包括数字符号，小数点正负号
• 按形表示:　　按一定的编码方法表示数据

信息的存储单位:

•  1KB=2^10B=1024Byte
•  1MB=2^20B=1024KB
•  1GB=2^30B=1o24MB
•  1TB=2^40B=1024GB

浮点表示法:

公式:　　N=2^(+-e)*(+-s)

说明:

• E为阶码　　它是一个二进制正整数
• 阶符（Ef）　　E前的+—为阶码的符号
• S称为尾数它是一个二进制正小数
• 尾符（Sf）　　S前的+—为尾数的符号
• “2”是阶码E的底线

R进制表示法:

计算机中常用的进制数的表示:

进位制　　　　二进制　　　　八进制　　　　十进制　　　　十六进制　　

规则　　　　 　 逢二进一　　　 逢八进一　　    逢十进一　　    逢十六进一
基数　　　　  　R=2　　　　　 R=8　　　　　 R=10　　　　 R=16
数码　　　　　  0、1　　　　   0…7　　　　　 0…9　　　　 　0…F
权　　　　　 　 2^i　　　　　  8^i　　　　　  10^i　　　　   16^i
形式表示　　　  B　　　　　　  Q　　　　　　  D　　　　   　 H

不同进制之间的转化:

• 十进制与R进制转换:
  　　十进制转R进制:
  　　　　整数的转化:　　　　“采用除R取余法”，从最后一次除得余数读取.
  　　　　小数部分的转化:　　“采用乘R取整数”将所得小数从第一次乘得整数读起，就是这个十进制小数所对应的R进制小数
  　　R进制转十进制:
  　　　　使用权相加，即将各位进制数码与它对应的权相乘，其积相加，和数即为该R进制数相对应的十进制数
• 二进制，八进制，十六进制转化:
  •  （二进制 八进制）“三位并一位”
  • （八进制 二进制）“一位拆三位”
  • （二进制 十六进制）“四位并一位”
  • （十六进制 二进制）“一位拆四位”
  • （十六进制 八进制）“一位拆两位”
  • （八进制 十六进制）“二位并一位”

原码,反码,补码,BCD码:

二进制的原码,反码及补码:

• 真值:　　一个数的正号用“+”表示,负号用“—”表示,即为该数真值
• 机器数:　　以0表示整数的符号,用1表示负数的符号,并且每一位数值也用0,1表示,这样的数叫机器数也叫机器码
• 原码:　　数的原码表示在机器中用符号位的0和1表示数的正负号,而其余表示其数本身
• 反码:
  • 对于正数其反码与原码相同
  • 对于负数其反码与原码的符号位不变数值各位取反即0变1,1变0
• 补码:
  • 对于正数其补码与原码相同
  • 对于负数补码与原码的符号位不变,数值各位取反,末尾加1

原码,反码,补码之间的关系:

BCD码:

(二→十进制) 用思维二进制代码对一位十进制数进行编码
例：(931)₁₀=(1001 0011 0001)₂

BCD奇偶校验码:

十进制　　　　　　BCD码　　　　　　奇校验码　　　　　　偶校验码　　　　
0　　　　　　　　　0000　　　　　　　00001　　　　　　 　00000
1　　　　　　　　　0001　　　　　　　00010　　　　　　　 00011
2　　　　　　　　　0010　　　　　　　00100　　　　　　　 00101
3　　　　　　　　　0011　　　　　　　00111　　　　　　　 00110
4　　　　　　　　　0100　　　　　　　01000　　　　　　　 01001 

二进制四则运算:

运算规则:

• 加法规则:　　0+0=0;　　0+1=1+0=1 1+1=1
• 减法规则:　　0-0=0;　　1-0=1;　　1-1=0;　　0-1=1
• 乘法规则:　　0*0=0;　　0*1=1*0=0;　　1*1=1
• 除法规则:　　0∕1=0;　　1∕1=1

运算公式:

• 【X】补+【Y】补=【X+Y】补
• 【X-Y】补=【X+(-Y)】补=【X】补+【-Y】补

逻辑运算:

• 定义:　　实现了逻辑变量之间的运算
• 分类:
  • 逻辑加法 (‘或’运算)
  • 逻辑乘法 (‘与’运算)
  • 逻辑否定 (‘非’运算)

逻辑运算:

• ‘或’:
  • 运算规则:　　0∪0=0;　　0∪1=1;　　1∪0=1;　　1∪1=1【1—真,0—假】
  • 运算式:　　C=A∪B 或 C=A+B(只有决定某一事件条件中有一个或一个以上成立,这事件才能发生)
• ‘与’:
  • 运算规则:　　0∩0=0;　　0∩1=0;　　 1∩0=0;　　 1∩1=1
  • 运算式:　　C=A∩B 或 C=A－B 或C=A*B(只有决定某一事件的所有事件全部具备,这事才能发生)
• ‘非’:
  • 运算规则:　　ō = 1;　　ī = 0
  • 运算式:　　C=A(当决定某一事件的条件满足时,事件不发生,反之事件发生)
• ‘异或’:
  • 运算规则:　　0异或0=0;　　0异或1=1;　　1异或0=1;　　1异或1=0
  • 运算式:　　C=A异或B【相同为0,不同为1】

逻辑代数常用公式

• 0-1律:　　　    　A+0=A;　　A*0=0
• 重叠律:　　　　   A+1=1;　　A*1=A;　　A+A=1;　　A*A=A
• 互补律:　　　　   A*(!A)=0;　　A+(!A)=1
• 又拾律:　　　   　!(!A)=A
• 交换律:　　　　   A+B=B+A;　　A*B=B*A
• 结合律:　　　   　A+(B+C)=(A+B)+C;　　A*(B*C)=(A*B)*C
• 分配率:　　　　   A*(B+C)=A*B+A*C;　　A+(B*C)=(A+B)*(A+C)
• 摩尔定律:　　　　!(A+B)=(!A)*(!B);　　!(A*B)=(!A)+(!B)

总线

定义:　　连接计算机各部件之间或各计算机直接的一束公共信息线,它是计算机中传送信息代码的公共途径

特点:

• 同一组总线在同一时刻只能接受一个发送源,否则会发生冲突
• 信息的发送则可同时发送给一个或多个目的地

分类:

• 传送分类
  • 串行总线　　二进制各位在一条线上是一位一位传送的
  • 并行总线　　一次能同时传送多个二进制位数的总线
• 信息分类
  • 数据总线　　在中央处理器与内存或I/0设备之间传送数据
  • 地址总线　　用来传送单元或I/O设备接口信息
  • 控制总线　　负责在中央处理器或内存或外设之间传送信息
• 对象位置分类
  • 片内总线　　指计算机各芯片内部传送信息的通道<I^2C总线,SPL总线,SCI总线>
  • 外部总线　　微机和外部设备之间总线用了插件板一级互连<ISA总线,EISA总线,PCI总线>
  • 系统总线　　微机中各插件与系统板<USB总线,IEEE-488总线,RS-485总线,RS-232-C总线>

总线标准依据:　　物理尺寸,引线数组,信号含义,功能和时序,工作频率,总线协议

中央处理器

运算器组成:

• 算术逻辑单元(ALU)
• 通用寄存器组(R1 ~Rn)
• 多路选择器(Mn)
• 标志寄存器(FR)

控制器组成:

• 时标发生器(TGU)
• 主脉冲振荡器(MF)
• 地址形成器(AGU)
• 程序计数器(PC)
• 指令寄存器(IR)
• 指令译码器(ID)

总线:

• 数据总线(DBUS)
• 地址总线(ABUS)
• 控制总线(CBUS)

CPU运行原理图:

CPU主要性能指标:

• 主频:CPU内部工作的时钟频率,是CPU运算时工作频率
• 外频:主板上提供一个基准节拍供各部件使用,主板提供的节拍成为外频
• 信频:CPU作频率以外频的若干倍工作,CPU主频是外频的倍数成为CPU的信频,这CPU工作频率=信频*外频
• 基本字长:CPU一次处理的二进制数的位数
• 地址总线宽度:地址总线宽度(地址总线的位数)决定了CPU可以访问的存储器的容量,不同型号的CPU总线宽度不同,因而使用的内存的最大容量也不一样
• 数据总线宽度:数据总线宽度决定了CPU与内存输入∕输出设备之间一次数据传输的信息量

存储器

定义:　　计算机存储是存放数据和程序的设备

分类:

• 主存储器:　　也称内存,存储直接与CPU交换信息,由半导体存储器组成
• 辅助存储器:　　也称外存,存放当前不立即使用的信息,它与主存储器批量交换信息,由磁带机,磁带盘及光盘组成

存储层次:

内存与外存的比较:

　　　　　　主存　　　　　　　　　 　  　  辅存　　　　　　　　　　　　  

类型　　　　ROM　　　　RAM　　 　　  　 软盘　　　   硬盘　　　  光盘　　

造价　　　　高　　　　    高　　　　　　　  低++　　　 低　　　　　低+

速度　　　　快　　　　　 快　　　　　　　  慢++　　　 慢　　　　   慢+

容量　　　  小+　　　　  小　　　　　　　   —　　　　　—　　　　　 —

断电　　　  有　　　　　 无　　　　　　　   有　　　　　有　　　　　有

主存:

功能:

主存储器是能由CPU直接编写程序访问的存储器,它存放需要执行的程序与需要处理的数据,只能临时存放数据,不能长久保存数据

组成:

• 存储体(MPS):　　由存储单元组成（每个单元包含若干个储存元件,每个元件可存一位二进制数）且每个单元有一个编号,称为存储单元地址（地址）,通常一个存储单元由8个存储元件组成
• 地址寄存器(MAR):　　由若干个触发器组成,用来存放访问寄存器的地址,且地址寄存器长度与寄存器容量相匹配（即容量为1K,长度无2^10=1K）
• 地址译码器和驱动器
• 数据寄存器(MDR):　　数据寄存器由若干个触发器组成,用来存放存储单元中读出的数据,或暂时存放从数据总线来的即将写入存储单元的数据【数据存储器的宽度（w）应与存储单元长度相匹配】

主要技术指标:

• 存储容量:　　一般指存储体所包含的存储单元数量（N）
• 存取时间(TA):　　指存储器从接受命令到读出∕写入数据并稳定在数据寄存器（MDP）输出端
• 存储周期(TMC):　　两次独立的存取操作之间所需的最短时间,通常TMC比TA长
• 存取速率:　　单位时间内主存与外部（如CPU）之间交换信息的总位数
• 可靠性:　　用平均故障间隔时间MTBF来描述,即两次故障之间的平均时间间隔

高速缓冲存储器:

定义:　　高速缓冲存储器是由存取速率较快的电路组成小容量存储单元,即在内存的基础上,再增加一层称为高速缓冲存储器

特点:　　比主存快5 ~10倍

虚拟存储器:　　它是建立在主存-辅存物理结构基础之上,由附加硬件装置及操作系统存储管理软件组成的一种存储体系,它将主存与辅存的地址空间统一编址,形成一个庞大的存储空间,因为实“际上CPU只能执行调入主存的程序,所以这样的存储体系成为“虚拟存储器”

ROM与RAM

RAM(随机存储器)

可读出,也可写入,随机存取,意味着存取任一单元所需的时间相同,当断电后,存储内容立即消失,称为易失性

ROM(只读存储器)

• 定义:　　ROM一旦有了信息,不易改变,结构简单,所以密度比可读写存储器高,具有易失性
• 分类:
  • 固定掩模型ROM（不能再修改）
  • PROM可编程之读存储器（由用户写入,但只允许编程一次）
  • EPROM可擦除可编程只读存储器(可用紫外线照射擦除里面内容)
  • E2PROM电擦除可编程只读存储器（由电便可擦除里面内容）

辅存(硬盘)

说明:　　是以铝合金圆盘为基片,上下两面涂有磁性材料而制成的磁盘

优点:　　体积小,重量轻,防尘性好,可靠性高,存储量大,存取速度快,但多数它们固定于主机箱内,故不便携带,价格也高于软盘

性能指标:　　转速,超频性能,缓存,单碟容量,传输模式,发热量,容量,平均等待时间

硬盘组成图:

注意:

在整颗磁碟的第一个磁区特别的重要,因为他记录了整颗磁碟的重要资讯！ 磁碟的第一个磁区主要记录了两个重要的资讯,分别是：

• 主要启动记录区(Master Boot Record, MBR)：可以安装启动管理程序的地方,有446 bytes
  <MBR是很重要的,因为当系统在启动的时候会主动去读取这个区块的内容,这样系统才会知道你的程序放在哪里且该如何进行启动>
• 分割表(partition table)：记录整颗硬盘分割的状态,有64 bytes

磁盘分区表(partition table):

利用参考对照磁柱号码的方式来切割硬盘分区！ 在分割表所在的64 bytes容量中,总共分为四组记录区,每组记录区记录了该区段的启始与结束的磁柱号码. 若将硬盘以长条形来看,然后将磁柱以直条图来看,那么那64 bytes的记录区段有点像底下的图示：

上图中我们假设硬盘只有400个磁柱,共分割成为四个分割槽,第四个分割槽所在为第301到400号磁柱的范围.

由於分割表就只有64 bytes而已,最多只能容纳四笔分割的记录, 这四个分割的记录被称为主要(Primary)或延伸(Extended)分割槽. 根据上面的图示与说明,我们可以得到几个重点资讯：

• 其实所谓的『分割』只是针对那个64 bytes的分割表进行配置而已！
• 硬盘默认的分割表仅能写入四组分割资讯<主要分割与扩展分配最多可以有四条(硬盘的限制)>
• 这四组分割资讯我们称为主要(Primary)或延伸(Extended)分割槽
• 扩展分配最多只能有一个(操作系统的限制)
• 逻辑分割是由扩展分配持续切割出来的分割槽,如果扩展分配被破坏,所有逻辑分割将会被删除
• 能够被格式化后,作为数据存取的分割槽为主要分割与逻辑分割.扩展分配无法格式化
• 分割槽的最小单位为磁柱(cylinder)
• 逻辑分割的数量依操作系统而不同,在Linux系统中,IDE硬盘最多有59个逻辑分割(5号到63号), SATA硬盘则有11个逻辑分割(5号到15号)
• 当系统要写入磁碟时,一定会参考磁盘分区表,才能针对某个分割槽进行数据的处理

总结:

• 扇区(Sector)为最小的物理储存单位，每个扇区为 512 bytes；
• 将扇区组成一个圆，那就是磁柱(Cylinder)，磁柱是分割槽(partition)的最小单位；
• 第一个扇区最重要，里面有：(1)主要启动区(Master boot record, MBR)及分割表(partition table)， 其中 MBR 占有 446 bytes，而 partition table 则占有 64 bytes。

输入/输出设备

输入设备

分类:

• 字符:　　键盘
• 图形:　　鼠标器 , 操纵杆 , 光笔
• 模拟:　　语音 , 模数转化
• 图像:　　摄影机 , 扫描仪 , 传真机
• 光学阅读:　　光学标记阅读机 , 光学字符阅读机

键盘分类(以接口类型):

•  PS∕2接口的
• USB接口的
• 无线的

鼠标分类:

•  PS∕2接口 , USB接口 ( 以接口类型 )
• 机械式鼠标 , 光电式鼠标 ( 以内部构造 )
• 两键鼠标 , 三键鼠标 ( 以按键数 )

语音输入设备: 主要部分:　　输入器 , 模数转换器 , 语音识别器

输出设备

打印机:

• 分类:
  • 击打式打印机
    • 原理:　　利用机械动作打击‘字体’使色带和打印纸相撞
    • 分类:　　活字式打印 , 点阵式打印
    • 特点:　　结构简单，价格便宜
  • 非击打式打印机
    • 原理:　　用各种物理或化学的方法印刷字符
    • 分类:　　激光打印机 , 喷墨式打印
    • 特点:　　速度快，质量高，无噪声，但价格高
• 主要性能指标:　　分辨率 , 接口类型 , 打印速度

显示器:

• 显示器分辨率:　　屏幕上光栅的行数和列数
• 分类:　　阴极射线管显示器;  液晶显示器;  等离子显示器
• 主要技术指标:　　像素 , 分辨率 , 屏幕尺寸 , 刷新频率 , 点距 , 像素色彩

输入输出设备接口和控制方式

输入输出设备接口:

• 数据传送:　　串行口;  并行口;  程序型接口;  DMA型接口
• 通用性:　　通用接口;   专用接口
• 功能选择:　　可编程接口;  不可编程接口

输入输出控制方式:

• 程序查询方式 :
  
• 中断控制方式:
  
• 直接存储器存取方式
• 输入输出处理机方式

计算机的时标系统

时序控制方式:

同步控制方式:

• 定义 将操作时间划分为许多时钟周期,周期长度固定,每个时间周期完成一步操作,各页操作应在规定时钟周期内完成
• 优缺点
  • 优点：时序关系比较简单,控制部件在结构上易于集中,设计方便
  • 缺点：在时间安排利用上不经济
• 在同步控制方式中,都有统一的时钟信号,各种微操作都是在这一时钟信息的同步下完成的,称这一时钟信号为计算机主频,其周期称为时钟周期,称完成一个基本操作所需要的时间为机器周期

异步控制方式:

• 定义 各项操作按其需要选择不同的时间,不受统一时钟周期的约束,各步操作间的衔接与各部件之间信息交换,采取应答的方式
• 优缺点:
  • 优点：时间紧凑,能按不同部件,设备实际需求分配时间
  • 缺点：是实际异步应答所需控制比较复杂

三级时标系统:

• 指令周期
• 机器周期
• 时钟周期

图像显示:

指令周期公式:

指令周期 = 时钟周期*组成一个机械周期所需T的个数*组成一个指令周期所需M个数

计算机组成原理

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